CN102317218A - 通过pfr用于好氧分解和厌氧分解处理的设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种水处理设备和水处理方法。所述水处理设备包括：反应器，该反应器包括气体出口、处理水出口和入口，通过该入口供应废水和气体，通过该入口引入所述废水，以进行曝气和脱氮；泥浆分离装置，该泥浆分离装置包括多个反应单元体，该多个反应单元体堆叠在所述反应器内以将所述反应器的内部分隔为上部和下部，所述泥浆分离装置通过形成用于收集从所述反应器下部升起的气体的气体保持空间而在曝气过程中分离泥浆；以及曝气单元，该曝气单元将气体引入所述反应器。

Description

通过PFR用于好氧分解和厌氧分解处理的设备
技术领域
本发明涉及一种水处理设备和水处理方法，更具体地说，涉及一种通过堆叠多个反应单元体并进行好氧分解和厌氧分解处理以能够有效地处理高浓度有机废水的水处理设备。
背景技术
通常，好氧和厌氧分解(即好氧和厌氧消化)分解处理在现有的完全搅拌罐式反应器(CSTR)中进行。
然而，由于输入的高浓度有机废水的量，将输入到CSTR中的高浓度有机废水在该反应器中完全混合并排出，其处理效率和处理速率较低。
另外，考虑到液体的性质和反应，好氧或厌氧分解处理必然伴随有流体的混合，因而当进行要求的混合作业时，难以避免流体的完全混合。
因此，目前在处理过程中使用控制混合和排出的顺次分批式反应器(SBR)、分离式反应器或升流式厌氧泥浆床(UASB)，但是其都表现出与CSTR类似的效率。
此外，由于近来的全球变暖，产生大量的高浓度废水，以及对总排放的管控，利用CSTR处理高浓度有机废水会产生较大的问题。
发明内容
本发明提供一种使用塞流式反应器的水处理设备和水处理方法，其中，反应器内部为多层，而且在各层之间形成有气体保持空间，以隔断流体的流动或提高流体的流动性，从而提高气体和液体之间的循环和传输率。
本发明还提供了一种水处理设备和水处理方法，其中，通过应用塞流式反应器(PFR)方法，在进行好氧处理时，在反应器的最下层有高浓度的溶解氧(DO)、大量的微生物以及废水中的高浓度污染物，而且随着向所述反应器的上层移动，这些物质逐渐减少，从而形成PFR的典型反应器流，以及在进行厌氧处理时，在所述反应器的最下层有高浓度的有机材料和微生物，而且其浓度变小，从而能够保持最佳的pH值，该pH值在最下层由于发酵而较低。
本发明还提供一种能够解决传统CSTR型废水处理设备中存在的问题的水处理设备和水处理方法。
因此，考虑到上述问题而提出本发明，而且，本发明的目的是提供一种水处理设备，该水处理设备包括：反应器，该反应器用于废水的曝气、硝化和脱氮处理；所述反应器包括多个反应单元堆叠层，该多个反应单元堆叠层将所述反应器分隔为上部和下部，并在曝气过程中通过构建能够收集从所述反应器下层升起的气体的气体保持空间而包括泥浆分离系统；以及废水处理设备，该废水处理设备包括用于给所述反应器曝气的气体分配单元。
根据本发明，如详细地描述，废水处理设备和方法保持PFR的反应率和流体流的特性，所述反应器的内部或絮凝系统通过多个反应单元体的堆叠而为多层，并在各层之间形成气体保持空间，以隔断流体流或提高液体的流动性，从而提高气体和液体之间的循环和传输率。
此外，利用垂直的多个反应单元体的堆叠，使反应器的安装较为方便，从而能够节省建造时间并降低建造成本。
此外，通过变化所述反应器的单元体的形状，能够实现各种类型反应器的设计。
附图说明
通过结合附图的以下详细描述，将更为清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，在附图中：
图1为表示根据本发明实施方式的水处理设备的内部结构的侧视图；
图2为表示图1中水处理设备的反应单元体的透视图；
图3为表示图2中反应单元体的内部结构的侧视图；
图4为图2的平面图；
图5为表示图1中所示的反应单元体的连接结构的侧视图；
图6为表示图1中所示的反应单元体的另一连接结构的侧视图；
图7为表示图1中所示的反应单元体的另一流体流动管的侧视图；
图8为表示根据本发明另一实施方式的反应单元体的透视图；
图9为图8中所示的反应单元体的截面图；
图10为表示安装在图1中所示的反应器下部的料斗单元(hooper unit)的部分视图；
图11为表示根据本发明另一实施方式的反应单元体的透视图；
图12为图11中所示的反应单元体的截面图；
图13为表示图11中反应单元体的透视图，该反应单元体设置在反应器内；
图14为图13的侧视图；
图15为表示根据本发明另一实施方式的反应单元体的透视图；
图16为图15中反应单元体的截面图；
图17为表示根据本发明实施方式的水处理方法的流程图；
图18为表示通过根据本发明实施方式的废水处理设备在好氧状态和厌氧状态中进行处理所获得的结果的图表；和
图19为表示使用根据本发明实施方式的水处理设备处理各种废水所获得的结果的图表。
具体实施方式
在下文中，参考附图对根据本发明优选实施方式的废水处理设备进行详细地描述。
如图1所示，根据本发明实施方式的废水处理设备包括：反应器3，废水和空气引入该反应器3中，以进行曝气和脱氮处理；至少一个泥浆分离单元S1、S2和S3，该泥浆分离单元具有多个反应单元体，该多个反应单元体在反应器3内堆叠为5层，以使引入的废水和气体按照其密度的顺序而向上移动，并通过增加废水和气体之间的分界面面积而增加溶解氧(DO)，从而使污染物分解；以及曝气单元7，该曝气单元7将气体引入反应器3的内部。
反应器3可以根据其处理过程而用作好氧反应器或脱氮反应器。反应器3为管状，从而将废水和空气引入反应器3内形成的空间中。该反应器可以为圆柱形、六面体形或八面体形。
所述反应器包括：气体出口9，经过泥浆分离单元S1、S2和S3的气泡通过该气体出口9而排到反应器3的外部；和处理水出口11，经过泥浆分离单元S1、S2和S3的废水通过该处理水出口11而排到外部。
用于供应废水和气体的废水进入管13连接于反应器3的下部。所述气体包括空气或沼气。当注入空气时，需要进行好氧处理；而当注入沼气时，需要进行厌氧处理。
当通过将沼气注入反应器3中而进行厌氧处理时，可以在气体出口9设置传统的气体收集单元。
通过废水进入管13引入的废水从底部注入反应器3的内部。
曝气单元7安装在废水进入管13的上部，以将外部气体通入反应器3中。
曝气单元7包括：入口管15，该入口管15与反应器3的内部相通；至少一个喷嘴19，该喷嘴19从所述入口管15突出；以及鼓风机P1，该鼓风机P1设置在入口管15的一侧上，用于吹鼓气体。
因此，由鼓风机P1通过入口管15引入的气体能够通过多个喷嘴19而均匀地注入废水。
泥浆分离单元S1、S2和S3包括至少一个泥浆分离部分，优选地，包括第一泥浆分离部分S1、第二泥浆分离部分S2和第三泥浆分离部分S3。多个反应单元体5堆叠在第一泥浆分离部分S1至第三泥浆分离部分S3的每一个中。
反应单元体5具有相同的形状，在该情况下，下面将详细描述一个反应单元体5。
如图2至图4所示，反应单元体5包括：彼此对应的上支架23和下支架21；连接该上支架23和下支架21的连接支架25；倾斜板27，该倾斜板27设置在上支架23内并将反应器3的内部隔为上部和下部；以及流体流动管29，该流体流动管29设置在倾斜板27中，以用作流体上、下流动的通路。
倾斜板27设置在上支架内，以隔断流体的上、下流动。倾斜板27具有向下偏斜的形状，作为液体上下流动的通道的流体流动管29设置在倾斜板27的中心部分。
因此，当泥浆沉积在倾斜板27的上表面上时，泥浆会沿倾斜表面28向下流动，而防止堆积。
设置在倾斜板27底表面上的加强件35支撑倾斜板27。加强件35从倾斜板27的底表面向下突出预定的高度，并围绕流体流动管29横向和纵向地设置。
因此，加强件35能够防止倾斜板27在水处理过程中因废水或气体而移动或弯曲。加强件35在微生物能够生长的地方具有弯曲结构。
流体流动管29从倾斜板27的中间部分向下突出。该流体流动管29为管状，液体能够通过该流体流动管29的内部而上下流动。
因此，当多个反应单元体5堆叠在反应器3中时，反应单元体5彼此接触，而且相应的倾斜板27在其侧部连接。
因而，废水能够通过流体流动管29而上下流动，同时被倾斜板27隔开。
更具体地说，流体流动管29具有漏斗形，其上部区域优选地大于下部区域。
然而，流体流动管29不限于漏斗形，而是可以为圆锥形或圆筒形。此外，相同的倾斜板中可以设置相同形状、尺寸、长度和数量的流体流动管29。
当流体流动管29如上所述而变化时，根据废水的类型和气体的量，引入流体流动管29中的废水可以产生不同的液体流动状态、从上向下移动的高密度材料的量以及不同的移动速度。因此，通过使液体流动馆29的形状多样化，能够提高水处理的效率和效果。
例如，当流体流动管29为扇形时，向上移动的液体分散开，以防止周围泥浆沉积并积聚在流体流动管29附近。
同时，流体流动管29向倾斜板27下部突出预定的长度，并且在倾斜板27的底表面上形成气体保持空间Va、Vb和Vc。
因此，从反应器3的下部上升的气体聚集在气体保持空间Va、Vb和Vc中，而且如果聚集的气体超过预定的量，气体则会由于压力而向四周分散，从而供应到流体流动管29。
流体流动管29优选具有与相邻的反应单元体的流体流动管29的长度相同的长度，但如图7所示，流体流动管29的长度也可以不同。
换句话说，在相邻的反应单元体50和52中，设置在一侧上的流体流动管56的长度D2可以比设置在另一侧上的流体流动管54的长度D1更长。
这样，由于流体流动管56的长度D1较长，可以产生反应器3内的水位变化以及泥浆移动。
换句话说，当气体逐渐上升而在倾斜板27的底表面上形成气体保持空间Va、Vb和Vc时，第一水面L1形成。
当气体进一步上升时，一些气体通过长度较短的流体流动管54上升。没有通过较短流体流动管54逸出的一些气体则会逐渐积聚，从而向下压第一水面L1，并形成第二水面L2。
在第二水面L2处形成的气体保持空间Va、Vb和Vc中的气体通过较短的流体流动管54而向上流动。
第一水面L1和第二水面L2的移动由于改变了水面而提高了液体的流动性。
第二水面L2与较长的流体流动管56之间的间隔较短，以致对气体的阻挡相对较小，从而几乎所有向上或向下流动的泥浆通过较长的流体流动管56而向下流动。
气体在较长流体流动管56的上端不流动或几乎不流动，在该情况下，高浓度的混合液悬浮固体颗粒(MLSS)聚集在在较长流体流动管56的上端，而且高浓度的泥浆会选择性地向下流动。
在较长流体流动管56的下端保持较高浓度的泥浆，这对于减少传输的泥浆的量以及提高处理率来说，是非常重要的因素。
图8和图9表示根据本发明另一实施方式的反应单元体。该反应单元体包括：上支架80；设置在上支架80内的倾斜板97；设置在倾斜板97中的上盖81和下盖83；以及连接于上支架80的支腿。
上盖81和下盖83分别设置在倾斜表面97的上表面上和下表面上，并具有相同的形状。
上盖81包括板85和支撑该板85的至少一个支撑件。下盖83也包括板和支撑件。
因此，从反应单元体96下部上升的液体引入下盖83的一侧，并且在通过倾斜表面97的孔37之后，与上盖81的板85接触，进而流到上盖81的一侧。
因此，液体在流经上盖81和下盖83的过程中得到搅拌，从而提高处理效率。
此外，在反应单元体96中省略了下支架21(参考图2)，而是将支腿L安装于反应单元体96。
如图10所示，在反应器90的下部形成有料斗。换句话说，通过使反应器的下部倾斜预定的角度而形成所述料斗91，在料斗91的下部设置有出口管92。
因此，沉积在反应器90下部的物质会沿料斗91的倾斜部分而向下流动，从而通过出口管92而排到外部。
还可在反应器的料斗91另外安装搅拌单元93、94和95。每个搅拌单元93、94和95包括：连接于料斗91的上部的第一管体93，连接于料斗91的下部的第二管体94，以及连接所述第一管体93和第二管体94以泵压液体的泵95。
因此，通过驱动泵95，能够使储存在料斗91中的液体经过第一管体93和第二管体94循环，从而得以搅拌。
再参考图2至图4，连接柱31从上支架23突出。该连接柱31在上支架23的角部从该上支架23的上表面突出预定的长度。在下支架21的角部在该下支架21的底表面上形成有连接槽33。
因此，设置在下部的反应单元体5的连接柱31插入设置在上部的反应单元体5的连接槽33中，从而将多个反应单元体5彼此连接起来。
由橡胶或合成树脂制成的摩擦件分别连附于连接槽33，从而当连接柱31插入连接槽33中时，反应单元体5通过摩擦力保持，以防止由于浮力而漂浮起来。
在上支架23和下支架21的与流体流动管29的下端相平齐的位置形成有传输孔h。因此，从反应单元体5的下端向上端流动的气体和废水在流体流动管29的下限制线分开。
然后，水与一些气泡一起向下流动，而且，根据相邻的反应单元体5中的气体压力、气体量以及气体分布，一些气体会流过孔h。连接上、下连通孔h的支撑件会滋生和附着微生物。
接着，液体向下流动，并混合至最大混合效果(mixing effect)，而且气体均匀地流向相邻的反应单元体5，以使反应单元体中存有气体或具有足够的气体。
因此，作用于反应单元体5的力通过气体浮力而有助于混合液体，从而使混合效果最佳(即本设备的目的)，并使得妨碍设备稳定性的不规则的波或振动的影响最小化。
如上所述，通过堆叠反应单元体5来处理水，能够通过铸造方法大规模制造反应单元体5。
因而，可以单独形成和制造反应单元体5，并装配在一起，从而方便作业。
如图1所示，固定杆80设置在反应单元体5的最上端，以压紧反应单元体5，从而防止反应单元体5由于浮力而上升。
固定杆80的一端铰接于设置在反应器3内一侧的固定架84，而固定杆80的另一端连接于设置在反应器3内另一侧上的锁定架82。
因此，当固定杆80通过固定销86固定于锁定架82时，该固定杆80被固定架84铰接固定，以压紧反应单元体5，从而防止反应单元体5由于浮力而上升。
在反应器3的中间部分可以安装检查孔(未显示)，以用于清洁。
可以在反应器3的一侧安装循环单元，以使气体和废水上、下循环。
循环单元60包括：管62；泵P2，该泵P2设置在管62上；上管64，该上管从所述管62突出并连接于反应器3的上部空间；中管65，该中管连接于反应器3的中部空间；以及下管66，该下管66连接于反应器3的下部空间。
因此，通过驱动泵P2可以使反应器3中的废水和气体进行循环。并且，上管64、中管65和下管66连接有阀，以选择性地使废水和气体在反应器3的上部和下部之间循环。
在停止注入气体的情况下进行所述循环，且该循环为周期性地进行，以清除沉积在泥浆分离单元的泥浆中的氮。
另一方面，气体排出单元70设置在反应器3的另一侧，从而将沉积在泥浆分离单元中的气体排到外部。
气体排出单元70包括：主管72，气体能够通过该主管72流动；以及副管74a、74b和74c，该副管从所述主管72突出，并进入反应器3，以与泥浆分离单元S1、S2和S3的气体保持空间Va、Vb和Vc连通。
副管74a、74b和74c分别与泥浆分离单元S1、S2和S3的气体保持空间Va、Vb和Vc连通，从而使聚集的气体流向副管74a、74b和74c，并通过主管72排到外部。
因此，气体排出单元70将反应器3中的气体排到外部，以用于厌氧反应，如脱氮处理。
通过曝气和脱氮处理的废水通过排出管而排出。
图5表示根据本发明实施方式的反应单元体的连接结构。如图所示，当设置反应单元体时，相邻的反应单元体42彼此连接，以更为稳定地设置。
换句话说，连接柱44从一个反应单元体40的上部突出。在第一连接柱44的一侧上形成有倾斜面48。第二连接柱46从另一反应单元体42的上部突出。在第二连接柱46的一侧上形成有卡爪(catchingjaw)49。卡爪49的角度与所述倾斜面的角度相同。
因此，反应单元体40和42彼此横向连接，而且第二连接柱46的卡爪49与倾斜面48接触，以牢固地连接于倾斜面48。
这样，反应单元体40和42彼此牢固地连接，从而当废水和气体在反应单元体40和42之间上升或下降时，能够防止反应单元体40和42由于浮力而上升。
反应单元体的连接结构还可以如图6所示。换句话说，在反应单元体41的连接支架51形成有插槽53，插柱47从反应单元体43的连接支架45突出。
因此，反应单元体43的插柱47插入反应单元体41的插槽53中，以将反应单元体41和43彼此连接。
图11和图12表示根据本发明另一实施方式的反应单元体112。如图所示，根据本发明实施方式的反应单元体112包括：板113；支撑件110，该支撑件110突出于该板113的下部并连接于另一反应单元体；以及多个流体流动管126、128、114和116，该多个流体流动管设置在板113中，并用作流体上下流动的通道。
在反应单元体中，板113具有预定的面积，以隔断流体的上、下移动。
四个倾斜板118、119、120和121与板113整体形成。换句话说，四个流体流动管126、128、114和116设置在一个板113中，以提高处理效率。
四个倾斜板118、119、120和121朝向其中心倾斜预定的角度。因此，当泥浆沉积在板113的上表面时，泥浆沿倾斜板118向下流动，以防止堆积。
四个倾斜板118、119、120和121具有相同的形状，但是流体流动管114、116、126和128的位置是不同的。
换句话说，流体流动管114、116、126和128保持不同的间隔。例如，第一流体流动管126和第二流体流动管128之间的间隔D3与第三流体流动管114和第四流体流动管116之间的间隔D4是不同的。
在流体流动管114、116、126和128的间隔D3和D4彼此不同的情形，当反应单元体112、122和124堆叠时，当进行装配时，反应单元体112、122和124相对于彼此绕支撑件110旋转90度。
换句话说，当堆叠时，具有相同横向和纵向长度的第二层反应单元体122相对于第一层反应单元体112旋转90度；而当堆叠时，第三层反应单元体124相对于第二层反应单元体122旋转90度。
因此，第一层反应单元体122的流体流动管126和128偏离(即不对准)于第二层反应单元体122的流体流动管132和134，而且第三层反应单元体124的流体流动管136和138偏离于第二层反应单元体122的流体流动管132和134。
因此，反应单元体112、122和124的流体流动管126、128、114、116、132、134、136和138彼此偏离，以提高流经这些流体流动管的液体的搅拌效果。
在板113的底表面上设置有加强件117，以支撑板113。加强件117具呈键形，该加强件117从板113的底表面向下突出预定的高度，并围绕流体流动管126横向和纵向地设置。
图13和图14表示包括反应器102的水处理设备100，该反应器102具有堆叠的反应单元体112、122和124。
如图所示，多个反应单元体112、122和124堆叠在反应器102中，而且在反应器102的下部设置有曝气单元107。废水进入管104设置在反应器102的下部的一侧，用于将废水引入反应器102中。气体出口106和处理水出口108设置在反应器102的上部。
因此，当多个反应器单元体112、122和124堆叠在反应器102中时，反应单元体112、122和124彼此接触，以保持所述板113横向连接，在该情况下，当废水通过流体流动管118上、下流动时，废水被板113隔断。
在下文中，将详细描述利用水处理设备100进行废水处理的过程。
待处理的废水通过废水进入管104而引入反应器102中，而且外部气体通过曝气单元107而引入反应器102中。
注入曝气单元107的气体可以通过供应管105和喷嘴103而注入，以有效地进行曝气处理。
如上所述，引入反应器102的废水和气体上升，并到达第一反应单元体112。
到达第一反应单元体112的废水通过流体流动管126、128、114和116而上升到上部空间。
经过第一反应单元体112的废水和气体到达第二反应单元体122。在流经第二反应单元体122的过程中，材料会通过与第一反应单元体112的相同的处理过程而分离出来。
到达反应器102最上空间的废水和气体通过气体出口106和处理水出口108而排出。
图15和图16表示根据本发明另一实施方式的反应单元体。如图所示，根据本发明实施方式的反应单元体150具有位于板158的侧表面上的周缘部分162。
板158的周缘部分162形成为能够使得流体在周缘部分162内上下流动，从而由气体浮力所产生的几乎所有的力使上、下流动效果最大化。而且，通过调整流体的左右方向的力，能够防止流体的水平流动。
流体的水平流动会影响反应器内气泡的再循环，并由于振动而导致反应器的稳定问题。
具体来说，具有周缘部分162的反应单元体用于大型处理设备，以减小整体的振动问题。
更具体地说，根据本发明该实施方式的反应单元体152包括：板158；支撑件151，该支撑件从板158的下部突出并连接于另一反应单元体；多个流体流动管164和166，该流体流动管设置在板158中，用作液体上下流动的通道；以及周缘部分162，该周缘部分从板158的周沿向下突出。
板158、倾斜表面160、流体流动管164和166以及支撑件151的形状与本发明上述实施方式中所示的反应单元体的各部件的形状相同，从而省略对其进行详细描述。
周缘部分162从板158的周沿向下突出预定的距离。该周缘部分162形成在板158的周沿，以在板158的下部形成空间。
因此，废水和气体存储在该空间中，以废水和气体防止左右流动。
在周缘部分162形成有孔168。该孔168形成在四个周缘部分162中。因此，能够防止储存在板158下部空间中的废水的压力集中在周缘部分162上。
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明实施方式的水处理方法。
如图1、图2和图17所示，根据本发明实施方式的水处理方法包括：预处理步骤S100，其中，清除引入的水中的固体并使用粉碎机(crusher)将固体材料粉碎；曝气和脱氮步骤S120，其中，注入空气，并通过好氧处理而氧化有机材料和氮；以及步骤S130，其中，好氧处理所引入的水，通过固液分离而沉积泥浆，并将一些泥浆返回至反应器(曝气和脱氮容器)中。
在水处理方法中，按照通常方式进行预处理步骤S100。换句话说，废水流经粉碎机，以清除包含在废水中的固体材料，从而将包含在废水中的固体材料粉碎并最小化。
完成预处理步骤S100后，进行曝气和脱氮步骤S120。
在曝气和脱氮步骤S120中，待处理的废水通过废水进入管13而引入反应器3中，并且外部空气通过曝气单元7而引入反应器3中。
注入曝气单元7中的气体通过多个喷嘴19而均匀地注入，以有效地进行曝气处理。
如上所述，引入反应器3的废水和气体上升到第一泥浆分离单元S1。
设置在反应器3中的多层泥浆分离单元S1、S2和S3可以通过堆叠反应单元体5而形成。
换句话说，下反应单元体5的连接柱31插入上反应单元体5的连接槽33中，以堆叠多个反应单元体5。
经过该过程，通过堆叠多个反应单元体5形成多层泥浆分离单元S1、S2和S3。
到达第一泥浆分离单元S1的废水通过设置在反应单元体5中的流体流动管29而升到上部空间中，而气体则通过浮力而收集在形成于倾斜板27下部的气体保持空间中。
然后，气体保持空间Va向下膨胀，以形成位于流体流动管29的下限制线的水面。因此，气体收集在高于水面的上部空间内。
当流体流动管29的长度不同时，气体逐渐上升，从而在最长的流体流动管29的下限制线形成第一水面L1。
当气体逐渐上升时，一些气体通过最短的流体流动管54上升。然后，没有通过最短流体流动管54上升的一些气体逐渐聚集，以下压第一水面L1，从而形成第二水面L2。
此外，在形成于第二水面L2上方的气体保持空间Va中的气体通过最长的流体流动管56向上流动。
在该过程中，水面由于第一水面L1和第二水面L2的移动而变化，从而提高了液体的流动性。
在最长的流体流动管56中，第二水面L2和该流体流动管之间的间隔较短，以致于对气体的阻挡较小，从而几乎所有沿上下方向流动的泥浆都通过最长的流体流动管56而向下流动。
气体很少或偶尔在最长的流体流动管56的最上端流动，从而较高密度的泥浆积聚于此，并可以选择性地向下流动。
在较长流体流动管56的下端保持较高密度的泥浆，这对于减少传输的泥浆的量以及提高处理率来说，是非常重要的因素。
由于流体流动管29的结构特点，几乎所有反应器3中产生的气泡停留在废水的上端，而相对较低密度的材料由于水面张力而主要停留在废水的表面上。
因此，较低密度的材料位于各层的上部，从而在材料向反应器3的上端移动时，材料的密度逐渐变小。
从下端引入的气体的量和压力保持为高于预定值，以通过流体流动管29均匀地排出气体。
已经流经第一泥浆分离单元S1的废水和气体通过该过程到达第二泥浆分离单元S2。材料能够通过与第一泥浆分离单元S1相同的第二泥浆分离单元S2而分离。
已经到达反应器3的最上空间的废水和气体通过气体出口9和处理水出口11而排出。
在曝气和脱氮过程中，当需要厌氧容器的处理时，可以通过气体排出单元排出气体而进行脱氮处理。
换句话说，在曝气过程后，需要清除存在于反应器内部的气体，以进行脱氮。为了实现这个目的，通过打开排出单元70的主管72的阀76，使已经积聚在泥浆分离单元S1、S2和S3的气体保持空间Va、Vb和Vc中的残余气体和一些气泡通过副管74a、74b和74c而排出。
然后，管74a、74b和74c需要与反应器3的上端壁隔开，以防止排出的气体由于浮力而向上流动。
如果打开阀76，位于各层的气体和一些气泡通过副管74a、74b和74c和主管72而排到外部的初始位置。
因此，通过脱氮过程之后的气体排出过程，能够实现厌氧处理。
在驱动反应器3运行预定时间后从而使沉淀物沉积在泥浆分离单元中后，进行沉积步骤S130。
在沉积步骤S130中，必须通过循环单元60使沉积物周期性地流向反应器3的最下端，从而提高脱氮效率以及反应器3下端的沉积效率。换句话说，当循环单元60的泵P2运行时，沉积在各层的沉积物通过压力而经由上管64、中管65和下管66吸取。
被吸取的沉积物通过管62吸入单独的单元或曝气单元17的入口管15，以供应到反应器3的任意内部位置并再次循环到反应器3中。
因此，在废水通过循环过程而从上部到下部的流动过程中，与注入气体不同，废水自身流动以产生泥浆的集中。而且，能够提高反应器3下端的沉积效率，并且在反应器3上端和下端之间产生不同密度的泥浆。
通过该过程进行脱氮处理，而且能够进行从反应器3的最上端到最下端或者从反应器3的中部到最上端的循环。
作为本发明的另一实施方式，在预处理步骤S100之后，可以进行厌氧处理步骤S140。换句话说，将沼气注入反应器3内，来代替空气，并在沼气和废水经过反应单元体5过程中可以进行厌氧处理。
通过具有堆叠的反应单元体的水处理设备的水处理效率如表1所示。
换句话说，就待引入的食品废水的装载量以及清除效率而言，好氧处理的清除效率为97％，厌氧处理的效率为85％，这是相当高的水处理效率。
处理效率表示在水处理之前和之后的有机材料之间的不同，而且是用于好氧处理的溶解有机材料的量之间的不同，也是厌氧处理的可分解固体材料总量与排出的可分解固体材料总量之间的不同。
相对于去除的有机材料(vs)来说，在食物厌氧消化后产生的气体超过1.0m3/kg。
表1
  分类   好氧消化  厌氧消化
  1.引入装载量(BOD5kg/m3d)   0.5-30  10-150
  2.废水的氧转化效率(％)   15-35(无穿过孔的阻力))  -
3.对应OUR的F/M   反应器的下端：0.8-2；反应器的上端：0.05-0.7 -
  4.处理效率(％)   97  85
5.回收泥浆   无(回收一些泥浆以用于低浓度的废水) 无
6.气体性质 空气  沼气(纯度超过70％，用于混合)
  7.理论PFR的接近程度(％)   超过70  超过80
(项目3的含义是考虑OUR(摄氧率Oxygen Uptake Rate)计算的F/M值)
此外，通过采用塞流式反应器(plug flow reactor)(PFR)，在好氧处理的情况中，在反应器的最下端有大量的溶解氧、大量的微生物以及高浓度的原始废水污染物，而且随着向反应器的上部移动，这些物质逐渐减少，从而形成PFR的典型反应器流。而且，在厌氧处理的情况中，在反应器的最下端有高浓度的有机材料和微生物，而且其浓度变小。因此，本发明的水处理设备和水处理方法在反应器的下部保持较低的pH值，而在反应器的上部保持较高的pH值。
换句话说，微生物生长的促进因素(即，有机材料、pH、溶解氧、微生物的数量、氧气和有机酸)同时保持PFR的流动。即便根据引入的水的性质当PFR以顺流方式运行时，也可产生类似的结果。
图18和图19表示使用具有堆叠反应单元体的水处理设备进行水处理所获得的结果。
如图18所示，在使用反应单元体进行好氧处理所获得结果中，表示传统分解过程的箭头a表示在图表的上部，而经过本发明处理之后的箭头c表示在图表的下部。换句话说，箭头下降了预定的距离L1，从而表示有改进。
在厌氧处理的情况中，表示传统分解过程的箭头b表示在图表的上部，而本发明处理之后的箭头d表示在图表的下部。换句话说，箭头下降了预定的距离L2，从而表示有改进。
如图19所示，使用反应单元体处理食品废水、家畜废水和污水污泥所获得的结果表示，随着时间的过去，食品废水的图表e，家畜废水的图表f和污水污泥的图表g下降，从而提高处理效率，例如降低溶解材料的浓度。
工业实用性
本发明涉及水处理设备和水处理方法，更具体地说，涉及通过堆叠多个反应单元体并进行好氧和厌氧消化处理而能够提高处理高浓度有机废水的效率的水处理设备。

Claims (23)

1.一种水处理设备，该水处理设备包括：
反应器，该反应器包括气体出口、处理水出口和用于供应废水和气体的入口，通过该入口引入所述废水，以进行曝气和脱氮；
泥浆分离装置，该泥浆分离装置包括多个反应单元体，该多个反应单元体堆叠在所述反应器内以将该反应器的内部分隔为上部和下部，所述泥浆分离装置通过形成气体保持空间来收集从所述反应器的下部升起的气体，以在曝气过程中分离泥浆；以及
曝气单元，该曝气单元将气体引入所述反应器。
2.根据权利要求1所述的水处理设备，其中，所述泥浆分离装置包括堆叠在所述反应器内的第一泥浆分离单元至第三泥浆分离单元，而且该第一泥浆分离单元至第三泥浆分离单元分别包括多个所述反应单元体。
3.根据权利要求1所述的水处理设备，其中，所述反应单元体包括：彼此对应的上支架和下支架；连接该上支架和下支架的连接支架；倾斜表面，该倾斜表面设置在所述上支架内以将所述反应器的内部隔为上部和下部，并形成所述气体保持空间；以及流体流动管，该流体流动管设置在所述倾斜表面上以用作流体上、下流动的通路，而且当引入所述反应单元体的气体和废水上升到所述倾斜表面时，所述气体中的低密度材料聚集在所述气体保持空间中，而所述废水中的高密度材料保持在所述反应单元体的下部，从而邻近于水面的所述低密度材料首先向上流动。
4.根据权利要求1所述的水处理设备，其中，所述反应单元体包括：上支架；设置在所述上支架内的倾斜板；流体流动管，该流体流动管设置在所述倾斜板上以用作流体上、下流动的通路；设置在所述倾斜板上的上盖和下盖；以及连接于所述上支架的支腿，所述上盖具有板和支撑该板的至少一个支撑件。
5.根据权利要求1所述的水处理设备，其中，所述反应单元体包括：板，该板具有多个倾斜板；支撑件，该支撑件从所述板的下部突出并连接于另一所述反应单元体；以及多个流体流动管，该多个流体流动管设置在所述板的倾斜板上，以用作流体上、下流动的通道。
6.根据权利要求3所述的水处理设备，其中，所述上支架的上部突出有连接柱，所述下支架上形成有连接槽，因而当堆叠所述反应单元体时，位于上部的所述反应单元体下端的连接柱连接于位于下部的所述反应单元体上端的连接槽。
7.根据权利要求6所述的水处理设备，其中，所述下支架的连接槽中设置有摩擦件。
8.根据权利要求3或4所述的水处理设备，其中，所述倾斜表面上设置有多个加强件。
9.根据权利要求3或4所述的水处理设备，其中，设置在所述反应单元体中的所述流体流动管具有不同的长度。
10.根据权利要求3所述的水处理设备，其中，第一反应单元体包括具有倾斜面的连接柱，第二所述反应单元体包括侧向突出的柱并包括与所述第一反应单元体的所述倾斜面接触的连接柱。
11.根据权利要求3所述的水处理设备，其中，在第一反应单元体的所述连接支架上形成有插槽，从第二反应单元体的所述连接支架上突出有插柱，并使得所述插柱连接于所述插槽。
12.根据权利要求3至5中任意一项所述的水处理设备，其中，所述流体流动管具有漏斗形状或圆锥形状，该流体流动管的上部区域大于下部区域。
13.根据权利要求1所述的水处理设备，其中，所述气体包含空气或沼气，以选择性地进行好氧处理或厌氧处理。
14.根据权利要求1所述的水处理设备，其中，所述曝气单元包括：入口管，该入口管与所述反应器的内部相通；至少一个喷嘴，该喷嘴从所述入口管突出；以及鼓风机，该鼓风机设置在入口管的一侧以吹鼓气体。
15.根据权利要求1所述的水处理设备，其中，在所述反应器的一侧上还设置有循环单元，该循环单元包括：管；安装于该管上的循环泵；上管、中管和下管，所述上管、中管和下管从所述管突出并分别连接于所述反应器内部的各层，而且当驱动所述循环泵时，位于所述反应器内部各层上的沉积物循环或积聚。
16.根据权利要求1所述的水处理设备，其中，所述反应器包括位于该反应器下部的料斗单元和设置在该料斗单元中的搅拌单元，该搅拌单元用于搅拌所述反应器内部中的液体。
17.根据权利要求16所述的水处理设备，其中，所述搅拌单元包括：连接于所述料斗单元上部的第一管体；连接于所述料斗单元下部的第二管体；以及连接于所述第一管体和第二管体以泵压液体的泵。
18.根据权利要求1所述的水处理设备，其中，在所述反应器的另一侧上还设置有气体排出单元，该气体排出单元包括：主管；安装于所述主管上的阀；以及副管，该副管分别从所述主管突出并与形成在所述反应器内部各层的所述气体保持空间相通；而且，当打开所述阀时，聚集在所述气体保持空间中的气体和气泡通过所述副管和主管而排到所述反应器的外部。
19.根据权利要求5所述的水处理设备，其中，所述反应单元体的流体流动管之间的间隔是不同的，而且当堆叠所述反应单元体时，所述反应单元体的所述流体流动管彼此偏离。
20.根据权利要求5所述的水处理设备，其中，所述倾斜表面的周沿形成有向下突出的周缘部分。
21.一种水处理方法，该水处理方法包括：
预处理步骤，其中，将引入的水中的固体材料清除，并利用粉碎机粉碎所述固体材料；
预脱氮步骤，其中，通过脱氮处理清除经过预处理的废水中的氮；
曝气和脱氮步骤，其中，注入空气，并将脱氮的废水供应到堆叠有多个反应单元体的反应器中并将该脱氮的废水与气体混合，以利用好氧处理而使有机材料和氮被氧化；以及
好氧处理所述引入的水、通过固液分离而使泥浆沉积并将一些泥浆循环至所述反应器的步骤。
22.根据权利要求21所述的水处理方法，该水处理方法还包括在预处理步骤之前的厌氧处理步骤，其中，在所述厌氧处理步骤中将沼气注入所述反应器中，并在所述沼气和废水流经所述反应单元体的过程中进行所述厌氧处理。
23.根据权利要求21或22所述的水处理方法，其中，在曝气、脱氮、厌氧处理和沉积步骤中，多个所述反应单元体设置在所述反应器内，以将所述反应器分隔为多层，而且在各层之间形成有气体保持空间，以隔断流体的流动或提高流体的流动性，并从而提高循环效率和气体和液体之间的反应率。
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